便攜式發射裝置的人因工程研究*

黃燕群，段志鎣，任立力，王爽英

(1 西安現代控制技術研究所， 西安 710065； 2 衡陽北方光電信息技術有限公司， 湖南衡陽 421001)

0 引言

人因工程學[1]是以人體科學、工程技術、環境科學為基礎的一門新興交叉學科，以人的生理、心理特征觸發，研究優化人-機-環系統，提高系統效率，以保證人的安全、健康和舒適。引入人因工程學[2]有助于優化人-機功能分配、協調運作，提升系統效能，減少誤操作，起到增強系統安全性的作用。

近年，人因工程學在國內民用產品中得到廣泛的應用，而在武器裝備領域局限于“人適應武器裝備”的觀念，關注點在產品的功能和可靠性上，從事專職研究武器裝備的人因工程人員較少，運用人因工程學設計武器裝備時存在一些不足之處：設計過程中缺乏系統性規劃，缺少裝備具體開發經驗，依賴反復的樣機試制驗證設計，增加了科研成本；另外產品規范文件對人因工程要求過于籠統，缺少量化考核依據，客戶與設計師對產品的人機環的理解也有所差異，比較難形成共識。若在設計武器裝備過程中運用人因工程學進行設計，則可彌補以上的不足之處。

便攜式發射裝置是單兵反坦克導彈武器[3]系統的肩扛發射裝置，與射手之間結合緊密。文中研究便攜式發射裝置的人因工程設計方法，分析該裝置的人因工程研究內容和影響因素；依據產品技術要求確定產品組成和技術方案，并以圖示模型法為基礎，結合產品的人-機工作任務逐步細化任務中的作業，形成人機系統技術規范，設計師依此規范，借助于人因工程學基礎知識設計產品，達到人因工程要求的設計目的；最后借助數字建模、應力分析、加工樣機、試驗驗證產品的設計結果，使該人因工程設計方法更具體化，可操作，為其它裝備的人因工程設計提供參考。

1 研究內容及影響因素

人因工程學是通用學科，因產品用途不同其研究內容也隨之有所區別。便攜式發射裝置使用時從展開到撤收處于人機互動狀態，與指揮倉內靜態設備的人因工程設計有所區別；另與民品相比，前者使用壽命更長，環境要求苛刻；同時本研究也屬于微觀人因工程，運用人體生理特征及人因工程學設計方法，研究人、機、環之間的相互規律，優化人-機操作，使人-機總體性能達到最優，在戰場上發揮最大效能。

其研究內容如圖1 所示：1)武器裝備的功能和作業流程，分析裝置的組成和技術方案；2)分析工況中裝置的工作任務，人機互動作業，細化與人體互動的部位的人因設計；3)研究特定環境下對人、機的設計要求。根據研究內容，其影響因素有以下幾種。

1.1 用戶生理特征

在行軍或操作使用產品過程中，用戶生理基本特征包括了人體的身高、手長、體重基本尺寸[4]和使用習慣等靜態特征；以及工況中用戶的心理特征、能量消耗、疲勞機理、負荷承受能力等引起的生理變化、環境適應性等動態特征，涉及到用戶的視覺、聽覺、觸覺、心理等感受，以上特征是人因工程設計的依據。

1.2 裝備的功能和任務特征

便攜式發射裝置是武器系統的分系統，總體的規范影響了產品的組成、指標分配和技術方案。因此，人因工程設計應以產品功能為基礎，與用戶接觸的人機界面，如手柄位置、按鈕布局、顯示終端設計，菜單界面文本或圖標布局，產品結構外形等，與人因工程學息息相關，在滿足產品功能的基礎上，考慮使用者參與程度和范圍，直接與用戶互動的環節的形狀、大小、色彩的設計基準，應以人因工程提供的參數和要求為設計依據。

1.3 環鏡因素

在裝置使用的過程中其所處的環境，如發射點地形地貌、電磁環境、野外大氣環境、用戶生命安全等也是影響因素之一。在不同環境下，用戶視具體情況選擇比較隱蔽、舒適的發射方式使用裝置，此過程中環境將給用戶帶來使用的變化，以及這種變化對人機帶來潛在的風險，例如，發射點地形的變化影響用戶操作，此時須提供配件輔助用戶來適應此變化；戰場氣氛影響用戶心理，緊張易誤操作；流程復雜操作時間長則易被對方發現；夜間條件下，人機互動時的隱蔽性、機器噪聲、星光下發射等均是環境帶來的變化。因此，在設計中應分析裝置在特定工況環境下的環境約束因素，產品設計方案應能與環境相適應。

2 人因工程分析與設計

常見的方法[5]有調查法、觀測法、實驗法、圖示模型法、心理測試法、感覺評價法等。產品設計目的不同，其用到的人因工程設計方法也不同，流程如圖2示。文中以圖示模型法為基礎，結合裝置的人機功能分配逐步細化作業，形成人因技術規范并以此展開設計。

2.1 功能分析

2.1.1 基本功能

裝置內置低溫型可充鋰離子電池為系統提供工作電源；由紅外和可見光組件實現晝夜偵察；提供左右操控按鍵手柄，單目微型顯示器顯示系統信息，控制電路用CAN總線管理組件之間信息互通，提供測試口；與筒裝導彈之間用卡扣壓接式承接，選取站姿、坐姿、臥姿之一肩扛發射導彈。

2.1.2 人的任務功能

工況中人的工作任務剖面是分析的重點，單兵武器的戰術任務中包含攜行、作戰、撤收等環節，攜行過程中士兵用背包攜帶產品行軍，發現目標后取出裝置與筒裝導彈對接，選定地形和姿勢發射導彈，撤收時丟棄彈筒，產品裝入背具撤離陣地，其戰術任務中的發射姿勢如圖3所示。

根據任務工作情況細化工作內容和人體的動作環節，如表1所示。

表1 人的任務作業

根據表1任務作業分解和圖3 的戰術動作，進一步細化人機交互過程中與用戶發生接觸的部位。分析用戶人體特征及對產品的生理感覺，并根據作業梳理出裝置的技術規范，并運用人因工程學基礎設計產品滿足此技術規范，通過分析產品的人機交換，具體得到產品的人機系統技術規格，如表2所示。

表2 人機系統技術規格

2.2 產品人因工程設計

2.2.1 產品方案

依據總要求本裝置由熱像組件、電視組件、單目目鏡、二次電池、控制電路、裝置殼體、左右操控手柄等組成。光學儀器是關重件，其光學參數決定了組件的外形體積，同時影響了裝置的整體結構布局。采用非制冷型變焦熱像組件，相比制冷型熱像具有重量輕、啟動快、成本低的特點。電視用黑白定焦CCD小型化系統，顯示器用視度可調彩色OLED單目目鏡。

由低溫可充鋰子電池供電，控制電路用ARM芯片低功耗設計，優化上電方式減少系統瞬態電流峰值，降低電池容量、重量，有利于系統小型化設計。

2.2.2 結構人因工程設計

利用內部空間組件間交錯式緊湊安裝，殼體材料用復合材料和鎂合金材料加工保證強度并減輕重量，殼體應整機充氣密封設計。

首先確定裝置的重心位置，裝置在擺放和手持時不出現翻滾現象，較重的熱像和電池并排擺放，目鏡在熱像的后端，控制電路板處于熱像組件下部，殼體兩側安裝左、右按鍵手柄，整體橫向布局，如圖4 所示。

圖4中裝置的重心位置靠近幾何中心，手柄接口處在中心位置x軸線上，避免手握手柄時出現俯仰或左右翻滾等重心不穩的現象。

圖4 裝置結構布局圖

其次，確定以下幾個關鍵的外形尺寸：w為左右手柄距離。用戶握持手柄時，其拳頭位置在胸前略低于肩高，拳頭距離和胳膊內收緊，與肩寬相近，此時雙手處于自然狀態，肌肉負荷較小。按照國標成年人體尺寸[6]人體肩寬，兼顧冬季著裝，w取值人體肩寬距離。l為目鏡與筒裝導彈轉接板距離。實際環境中士兵可能穿戴防毒面具和頭盔，由于大多數人習慣右眼觀察，文中只考慮戴頭盔右眼觀察，尺寸太小用戶頭部受到彈筒干涉，尺寸過大不利于右眼觀察，同時預留頭部轉動空間，l尺寸為肩寬一半。h為目鏡到手柄端部的距離。人觀察目鏡時，頸部應處于自然豎直，h的尺寸為右眼到右肩膀的垂直距離。確定以上參數后，基本確定了裝置的外形結構。

最后確定與筒裝導彈對接后系統重心位置，筒裝導彈由多倉模塊組成密度不均勻分布，重心位置靠近發動機艙段，用戶習慣用右肩膀支撐筒裝導彈，右眼觀察目鏡，如圖5中所示，因此武器系統的重心位置應在肩托處，雙手握持手柄時只需掌心較小的力，可釋放手指靈活地操作手柄按鍵。

圖5 與筒裝導彈對接右視圖

2.2.3 殼體外形和選材

殼體外部倒角處理，內部則充分利用空間，使得重量最輕，外形線條更加美觀。

用鎂鋁材料時抗腐蝕性較差，而采用碳纖維材料可以避免此類問題，同時其密度比鎂鋁合金更輕。文中裝置的殼體用碳纖維材料加工，具有密度小強度高的特點，對于復雜結構部分用多個碳纖維模塊，并用膠水粘接處理，且選用的膠水其膨脹系數和應力變形符合高低溫條件，避免溫度變化導致殼體變形影響裝置的光彈軸平行性；同時采用有限元分析殼體模型的應力集中點，適當地加強厚度或采用加強筋措施增強其的強度。

殼體外表面和人體額頭、臉部接觸部位粘貼緩沖泡沫，一是防止導彈發射反沖力傷及眼睛，二是保護產品，預防磕碰破壞表面油漆。

2.2.4 手柄外形、按鍵布局

手柄形狀呈弧形狀，用掌心靠緊弧形頂部，手把與水平角度大小符合雙手上舉于胸前時的自然抓握狀態，如圖4中手柄所示；根據用戶戴手套時手型大小確定手柄長度和直徑，握持部位的表面涂覆或粘貼橡膠防止滑脫。

產品功能若直接設置按鍵，需按鍵較多且占用空間；而用菜單界面方式管理只需較少的按鍵。左手柄安裝“五向導航”、“鎖定”按鍵，右手柄安裝“擊發”、“功能”按鍵，完成菜單界面操作和導彈發射。

當雙手緊握手柄時，手指應能夠著按鍵的位置，使用頻率越高離拇指越近；裝置的電源開關處在左手柄上方位置，左手握住手柄時，左食指依然可以完成上電和掉電動作。

2.2.5 單目目鏡的人因設計

實際情況用戶可能佩戴防毒面具操作，因此，目鏡應保留足夠的出瞳距離不干涉用戶觀察；為了滿足不同視力的用戶使用，其視度應可調并帶手輪調節，可單手調節視度。

在野外白天光線較強而夜間較暗，隨外部亮度的變化，目鏡的亮度應自適應，減少眩暈；另外目鏡須帶眼罩起到遮光或防漏光、防塵沙作用；同時眼罩能吸收導彈出筒瞬間反沖力，保護眼睛的作用，因此，眼罩結構和選材上應考慮遮光、防塵、緩沖、老化等要求。

2.2.6 配件的設計

1)筒裝導彈轉接板固定在裝置的右側，與筒裝導彈采用三點掛鉤對接，前兩個掛鉤用于扣緊筒裝導彈，后掛鉤采用彈簧卡扣壓接式對接，裝卸操作快捷；2)熱像的光學鏡頭需鏡蓋保護，鏡蓋用的轉軸機構滿足單手操作，而結構中彈簧力度滿足在風力12 m/s的條件下鏡蓋不能晃動干擾觀察；3)電池倉蓋采用轉軸卡扣鎖緊結構設計，電池殼設有提繩，方便單手更換電池；4)行軍期間裝置應放入專用背具攜帶，底部貼靠腰部，短距離轉移用單手握持手柄移動。

2.2.7 菜單界面

裝置的菜單界面包含光學圖像和圖文信息疊加而成，圖文信息有裝置自檢、導彈在位、電量、傳感器值；彈上跟蹤器信息；故障提示信息等3大類。由于OLED屏幕較小，區域小，界面內容設計符合以下原則：1)信息字符簡潔意義明了，顯示必要實時信息并消隱多余的信息，避免滿屏字符干擾射手；2)避免屏幕中心區域顯示，采取用戶易于接收的圖標和顏色傳遞信息；3)故障或警示信息，用閃爍紅色字體提醒用戶；4)根據人眼視場角大小和分辨率，合理設置界面的字符大小、位置；圖文顏色調配應易于識別、適合長時間觀察，提高了舒適度。

2.2.8 五性設計和輔助設計文件

產品五性設計指可靠性、測試性、安全性、維修性、保障性。通過產品可靠性建模，指標預計與分配，降額、簡化、冗余設計等措施進行可靠性設計；裝置提供測試端口輸出必要的信息，及自檢、在線監測提示信息；對產品危險源定性分析，排除潛在安全隱患；維修設備應通用化，減少專用設備工具，降低維修人員數量和技能的要求；并提供專用包裝箱用于貯存和運輸光學儀器，并滿足公路運輸和空運。期間依據主要尺寸參數計算裝置的尺寸鏈計算數據，形成相關輔助設計和維護文件。

2.2.9 數字建模和樣機加工

確定方案后借助數字建模軟件UG進行結構設計和有限元分析，避免出現應力集中部位，經修改結構和試裝，優化設計以達最優效果。利用3D打印技術打印模型，經過配重最大限度貼近實物狀態，測試受力狀態，對被測試的人員信息、測試環境、測試方法等進行詳細的數據描述，數字模擬之后進入樣機加工。

圖6 裝置后視圖

圖7 裝置左視圖

3 測試與驗證

裝置樣機按鑒定大綱進行功能鑒定，鑒定內容包括：產品功能靜態測試和環境適應性試驗；總質量≤5 kg，依據鑒定大綱進行考核，樣機通過了鑒定實驗和可靠性試驗。

另外，用模擬任務驗證人因工程設計，其驗證內容涵蓋了指標大綱、評估模型、評估實施程序等。戰術任務考核是其考核的重點，根據便攜式發射裝置的具體工況，抽取一定數量的樣本考核，和訓練有素的人員執行戰術動作，判斷是否滿足戰術要求，具體的任務考核要求如表3所示。考核結果為：在各種地形下，行戰轉換時間小于12 s，撤收時間小于9 s，動作流暢無干涉；在夜間星光的條件下順利操作；行軍3 km過程中用戶攜帶舒適，最后記錄參試人員反饋信息，為改進產品提供了依據。

表3 任務考核要求

基于人因工程學設計，產品設計以人為本，梳理使用過程中的具體細節，并形成頂層技術規范，同時在設計中逐步落實；和以往的設計方法相比任務作業中舒適性更強，人-機功能分配更合理，減少了操作失誤；其次，人因工程要求能量化考核，與客戶易于形成共識。

4 結束語

武器裝備引入了人因工程學設計，產品的研發以產品功能為基礎，分解人-機中機器基本功能和人的任務作業，優化人-機功能分配，以人為核心的思路對裝置的每個環節進行人性化設計。通過研究便攜式發射裝置的人因工程設計，及樣機加工，用戶測試體驗，驗證產品功能和可靠性，用戶使用過程中動作流暢，使用舒適，取得了一定的成效，為今后武器裝備的人因工程設計提供參考依據。